Relee electronice

RELEE ELECTRONICE

1. Generalitati

Notiunea de releu a fost atribuita unui ansamblu ce cuprinde unul sau mai multe contacte (normal inchise si/sau normal deschise) actionate de un flux magnetic ce trece prin miezul unei bobine (releu electromagnetic).

Releul electronic este un circuit prevazut cu un traductor, ce urmareste o anumita marime fizica (temperatura, timp, tensiune, flux luminos etc.) capabil sa-si schimbe starea la o valoare prestabilita a marimii urmarite.

Folosirea in circuit a releelor electromagnetice era obligatorie si, din acest motiv, aceste circuite au luat denumirea de "relee electronice". Au fost montaje care au avut functia de "releu" fara a avea circuite electronice inglobate cum ar fi de exemplu un releu de timp avand ca traductor un ansamblu mecanic, iar contactele releului electromagnetic erau actionate de acest ansamblu.

Folosirea releelor electronice in automatizari are drept scop declansarea unui proces sau executia unei comenzi ce utilizeaza puteri de comanda foarte mici.

Ele se gasesc in numeroase variante constructive si functionale in instalatiile electrice, implinind, in circuitele electrice dintre sursele de energie si receptoare functii de deosebita importanta:

inchiderea, deschiderea sau comutarea circuitelor electrice;

supravegherea si protectia instalatiilor si receptoarelor (impotriva suprasarcinilor, scurtcircuitelor, supratensiunilor etc.).

Datorita functiilor principale mentionate este evident ca functionarea aparatelor electrice este legata de procesele tranzitorii care apar in circuitul electric in care ele sunt montate.

In timpul acestora pot sa apara efecte importante datorita variatiei curentilor si tensiunilor, asa cum sunt, de exemplu, eforturi electrodinamice intre caile de curent si supratensiuni care solicita puternic izolatia.

Rezulta urmatoarele calitati principale care trebuie indeplinite de aparatele electrice:

siguranta in functionare (fiabilitate), precizie si stabilitate in functionare. De-a lungul unui anumit interval de timp aparatul trebuie sa nu dea defectiuni in functionarea si sa nu-si schimbe parametrii functionali.

stabilitate termica si dinamica la curenti de durata si accidentali;

un nivel de izolatie suficient, care sa reziste atat tensiunilor nominale si supratensiunilor, cat si inrautatirea calitatilor pieselor izolante datorita functionarii timp indelungat sub tensiune sau poluarii suprafetei cu praf, umiditate sau particule conducatoare;

dimensiuni si greutate cat mai reduse, pentru economie de spatiu si de materiale atat la fabricarea lor, cat si la locurile de montaj.

Un releu electric este un dispozitiv care realizeaza anumite comenzi in instalatiile electrice, fiind caracterizat de faptul ca determina o variatie brusca, in salt, a marimii de iesire, atunci cand marimea de intrare atinge anumite valori.

Releele electronice reprezinta si anumite circuite care nu au neaparat releu electromagnetic la partea de iesire, ci pot avea alte elemente de executie: tiristor, triac, etc. Partea de circuit electronic care simuleaza releul electromagnetic se numeste releu static. Un astfel de releu este compus dintr-un circuit de curent mic, care se aseamana cu infasurarea bobinei releului electromagnetic si face si o separatie de circuitul de forta (de obicei cu optocuploare) pe care se afla un triac cu rol de comutator.

Schema bloc a unui astfel de circuit este prezentata in figura

U~

R

U_cda Sarcina

R

Fig. 1 Schema bloc de actionare a unei sarcini cu triac

Aceste circuite contin un traductor, un circuit electronic si un element de executie (releu, tiristor etc.). practic cu aceste relee electronice se poate masurarea unor marimi fizice. Deosebirea fata de un aparat de masurat, pentru o marime fizica oarecare, este ca releul electronic are o stare sub o valoare prescrisa, iar peste aceasta valoare are o alta stare. Practic un releu electronic se comporta mai degraba ca un comparator de marimi fizice. Din cauza acestui lucru, fata de aparatele de masurat, releele electronice nu necesita traductoare pretentioase in sensul liniaritatii raspunsului lor la anumite intervale. Din partea traductorului se cere totusi fidelitate, adica sa raspunda mereu la fel, sa nu prezinte fenomenul de histerezis.

Releele electronice au doua functii importante:

functia de masurare a unor valori (ce pot fi de cele mai multe ori reglabile) ale marimilor fizice (curent, timp, flux luminos, flux magnetic, temperatura, etc.);

functia de supraveghere si control. Aceasta functie este indeplinita atunci cand releul respectiv face parte dintr-un sistem automat de urmarire si reglare a unei marimi fizice. El este cel care preia informatia referitoare la marimea de iesire, comandand oprirea sau pornirea actiunii marimii fizice respective. In aceasta situatie, releele electronice fac parte integranta dintr-un sistem electronic mai mare denumit regulator.

Clasificare releelor electronice

Releele folosite in sistemele electrice functioneaza dupa aceleasi principii ca si aparatele de masurat; de aceea ele pot fi clasificate, in general, dupa aceleasi criterii:

a) dupa principiul de functionare, releele pot fii: electromagnetice (magnetoelectrice, de inductie, magnetice,electrodinamice, termice) si electronice;

b) dupa felul parametrului la care actioneaza, releele pot fii: de curent, de tensiune, de putere, de temperatura, etc.

c) dupa valoarea marimii de intrare la care actioneaza, releele pot fii: maximale, a caror actionare are loc cand valoarea marimii de intrare devine egala sau depaseste o anumita valoare maxima, dinainte stabilita; minimale, care actioneaza in momentul cand valoarea marimii de intrare devine egala sau mai mica decat o anumita valoare minima, dinainte stabilita si relee diferentiale, a caror actionare are loc cand diferenta valorilor a doua marimi aplicate la intrare devine, in valoare absoluta, mai mare decat o valoare dinainte stabilita;

d) o clasificare specifica a releelor se obtine daca se ia in consideratie modul conectarii in circuitul elementului protejat, deosebindu-se: relee primare si relee secundare;

e) tinand seama de modul de actionare asupra intrupatoarelor, releele pot fii: cu actiune directa sau directe si cu actiune indirecta sau indirecte;

f) in functie de durata de actionare: relee ultra rapide ( t_a < 0,0 s), relee rapide (t_a < 0,05 s), relee normale (t_a = 0,05 ÷ 0,15 s ), relee lente (t_a = 0,15 ÷ 1 s), de temporizare (t_a > 1 s)

g) in functie de marimea de intrare: releu de tensiune, releu de curent, releu de putere, releu de frecventa, releu de timp;

h) cele mai utilizate relee: relee termice, relee electromagnetice, relee electronice, relee mecanice, relee ferodinamice, declansatoare.

i) dupa natura elementului de executie: relee cu contacte si relee fara contacte (statice).

Analizand fiecare tip de releu in parte reiese ca traductoarele folosite sunt in general traductoare ce fac conversia marimilor fizice respective in marimi electrice. Acest lucru inseamna ca dupa traductor semnalul electric este prelucrat si apoi este trecut intr-un releu de tensiune. Deci aproape toate releele vor avea in final un releu de tensiune.

Releele primare sunt conectate direct in circuitul elementului protejat. De aceea ele trebuie sa aiba o constructie robusta, pentru a suporta supracurentii sau supratensiunile care apar in exploatare. Releele secundare sunt conectate in circuitele secundare ale transformatoarelor de masura si au o constructie mai putin robusta.

Releele directe actioneaza asupra clichetului de declansare al intrerupatoarelor, adica ele joaca rolul bobinei de declansare. De acea mecanismul lor trebuie sa efectueze un lucru mecanic relativ mare. Releele indirecte efectueaza un lucru mecanic redus, deoarece ele actioneaza numai asupra unor contacte intermediare, prin care se inchid circuitele bobinelor de declansare ale intrerupatoarelor.

Cele mai simple relee sunt releele primare cu actiune directa. Ele se folosesc numai pentru protectia motoarelor electrice de mica putere.

3 Tipuri de relee

Relee electromecanice

Sfera de aplicabilitate a acestor relee a inceput sa se reduca substantial, ca urmare a progreselor realizate in domeniul releelor statice.

Cele mai simple relee electromecanice constau dintr-un dispozitiv care produce forta sau cuplul activ, un element care produce cuplul rezistent si unul sau mai multe elemente de executie (contacte electrice). Dupa natura dispozitivului pentru producerea fortei sau a cuplului activ, deosebim: relee electromagnetice, magnetoelectrice, de inductie, electrodinamice, termice, cu contact reed. In continuare se prezinta cateva dintre cele mai utilizate.

Releele electromagnetice sunt aparate de protectie care asigura protectia la curenti de scurtcircuit sau la scaderea tensiunii cu actiune instantanee sau temporizata.

Releele electromagnetice pot functiona atat in curent continuu cat si in curent alternativ.

Ele pot fi relee electromagnetice de curent si relee electromagnetice de tensiune.

Releele electromagnetice mai pot fii:

Releul electromagnetic de curent maxim (RC) este constituit dintr-un electromagnet, pe care sunt dispuse bobinele de curent si dintr-un sistem mobil format din armatura de fier, fixata pe un ax prevazut cu un resort spiral, care asigura cuplul antagonist.

Releul electromagnetic de timp (RT) este constituit dintr-un electromagnet si un miez de fier, solidar cu surubul fara sfarsit.

Releul electromagnetic de semnalizare (RdS) are drept scop sa semnalizeze daca protectia unui anumit circuit a actionat.

Releul electromagnetic intermediar (RI) este folosit pentru a se evita trecerea curentilor mari prin contactele sensibile ale releelor obisnuite (cum sunt curentii bobinelor de anclansare a intrerupatoarelor) .

Releele electromagnetice sunt constituite din electromagneti la care atunci cand curentul prin bobina depaseste o anumita valoare este atrasa armatura mobila aceasta actionand asupra unor contacte electrice, deci functionarea releelor electromagnetice se bazeaza pe forta de atractie a electromagnetului (fig ).

Fig   Schema de principiu a unui releu electromagnetic

1 - resort (arc); 2 - armatura mobila; bobina electromagnetica; K1 - contact fix;

K2 - contact mobil

Releele termice

La baza functionarii releelor termice sta modificarea proprietatilor fizice ale corpurilor datorita incalzirii. Cel mai simplu releu termic consta dintr-un tub de sticla inchis, prevazut cu doi electrozi, in interiorul tubului gasindu-se mercur. Inchiderea contactului are loc ca urmare a dilatatiei mercurului, in momentul in care nivelul mercurului aduce in contact electric cei doi electrozi.

Cele mai raspandite relee termice sunt releele cu bimetal. Dupa modul in care se realizeaza incalzirea bimetalului se deosebesc relee cu incalzire directa, indirecta si mixta. La cele cu incalzire directa curentul electric trece prin bimetal, iar la cele cu incalzire indirecta bimetalul este incalzit de la un rezistor, prin care trece curentul electric. Releele termice sunt utilizate, in special, la protectia motoarelor electrice impotriva supracurentilor de durata.

Releele reed

Constau dintr-un tub de sticla inchis in care se gasesc doua lamele elastice; in zona contactului, pe suprafata lamelelor este dispus un strat de iridiu, platina sau aliaje ale acestora (fig. 3). Tubul de sticla este vidat sau este umplut cu un gaz inert. Actionarea contactului se face cu ajutorul unui camp magnetic creat de o bobina parcursa de curent. Aceste relee se realizeaza sub forma de elemente capsulate paralelipipedice, din mase rasinoase in care se introduce tubul si bobina releului, la exterior aflandu-se doar terminalele metalice pentru conexiuni. Releele reed au consum neglijabil, timp de actionare mic (1 ÷2 msec), frecventa de comutare mare (500 comutari/sec), durata de viata ridicata (10 comutari).

Fig. 3. Schema de principiu a unui releu reed

Relee electronice

Frecvent utilizate in prezent, se realizeaza intr-o mare diversitate de tipuri constructive, a caror structura rezulta din combinarea unui numar relativ restrans de circuite electronice de baza: detectoare de nivel, detectoare de faza, comparatoare de amplitudine, convertoare, amplificatoare, elemente de timp si de memorare.

Relee de tensiune

Releele de tensiune sunt dispozitive care sesizeaza un anumit nivel de tensiune, astfel incat, sub acest nivel (care de regula se poate prestabili), el are o stare, iar peste acest nivel isi schimba starea. Acest lucru este posibil atata timp cat releul face o permanenta comparatie intre tensiunea prestabilita si tensiunea de intrare.

Fie U₀ nivelul prestabilit de tensiune (fig. 2) si U_x tensiunea de intrare. Pentru cele doua stari de iesire ale sistemelor avem:

S = S_a pentru U_x < U₀

S = S_b pentru U_x > U₀

S

S_b

U_x  S

S_a

U₀ programat  0 U_a U₀

a b

Fig. 4 Principiul releului de tensiune (a) cu diagrama starilor (b)

Pentru o crestere a lui U_x trecerea de la S_a la S_b se face la U₀, iar pentru o scadere a lui U_x trecerea de la S_b la S_a nu se mai produce la aceeasi tensiune U₀, ci putin diferita. In acest caz spunem ca este un histerezis in comportare.

Din punctul de vedere al tensiunii de intrare, aceste tipuri de relee se clasifica in:

relee de tensiune continua;

relee de tensiune alternativa.

a. Relee de tensiune continua

Releele de tensiune continua pot fi:

relee de tensiune continua cu un singur prag:

detectorul de polaritate (fig. 5) - este un circuit simplu de comparatie intre o tensiune data si nivelul zero (tensiunea de referinta = zero volti). Daca acestui circuit i se adauga un releu electromagnetic, el devine releu detector de polaritate.

relee cu dioda Zenner (fig. 6) - pentru a mari nivelul de tensiune;

circuite integrate comparatoare (fig. 7) - circuite analogice de comutatie care semnalizeaza prin tensiunea de iesire daca tensiunea de intrare este mai mare sau mai mica decat cea de intrare;

detector de nul (fig. 8) - este un circuit de detectare a trecerilor prin zero, a tensiunii alternative in mod special;

detector al semnalelor in faza (fig. 9) - este folosit un comparator de tensiune cu iesire compatibila TTL;

detector de varf (fig. 10) - detecteaza valoarea maxima a unui semnal pastrand aceasta valoare pe o durata mai mare decat durata de mentinere a acestui varf;

circuitul trigger Schmitt (fig. 11) - este un circuit basculant bistabil cu prag;

relee de tensiune continua cu doua praguri (fig. 12) - presupune existenta a doua relee de tensiune cu cate un singur prag, pragurile fiind diferite intre ele.

Fig. 5 Releu detector de polaritate

+E_c

R_e

Dz Rs

T

V_i R

6. a. 6.b

Fig.6 Relee de tensiune cu diode Zenner: a - in baza; b - in emitor

- C D

- C

C Tr +

+ V₀ V₁

V_p V_i V_s U ~ R V₀₁

Fig. 7 Circuit integrat comparator Fig. 8 Detector de nul

ID

v₁ + V₁

- V

+ V₂

v₂ -

IA

Fig. 9 Detector al semnalelor in faza

Fig. 10 detector de varf  Fig. 11 Circuit trigger Schmitt

v_pj

v₀

v_ps

Fig. 12 Relee de tensiune continua cu doua praguri

b. Relee de tensiune alternativa

Exista mai multe posibilitati de actionare in acest sens:

o prima posibilitate consta in redresarea semnalului alternativ si obtinerea unui semnal continuu proportional cu marimea semnalului alternativ si apoi folosirea unui releu de tensiune continua;

o alta posibilitate consta in folosirea unui detector de varf (fig. 10) si apoi un releu de curent continuu.

Relee de timp

Sunt circuite electronice care au doua stari diferite, astfel incat, una este numita stare stabila, iar cealalta stare numita instabila, o poate lua la aplicarea unei comenzi asupra circuitului. Starea instabila dureaza un timp bine definit, determinat de elementele circuitului.

Exemple de relee de timp:

relee de timp cu un tranzistor ( fig. 13);

relee de timp cu amplificatoare operationale (fig. 14)

relee de timp integrate (fig. 15);

relee de timp cu circuite integrate logice (fig. 16);

relee de timp digitale (fig. 17).

Fig. 13 Releu de timp cu un tranzistor Fig. 14 Releu de timp cu amplificator operational

Fig. 15 Releu de timp integrat Fig. 16 Releu de timp cu circuite integrate logice

Fig. 17 Releu de timp digital